(57)【要約】【課題】電力伝送効率の低下に起因する障害の発生を回避しつつ、電力伝送効率が低下しても電力伝送を継続することができるワイヤレス給電装置を提供する。【解決手段】ワイヤレス給電装置１００は、給電コイル１１１と、給電コイルに交流電力を供給する電源部１２０と、給電コイルから受電コイル２１１への電力伝送効率を算出し、当該電力伝送効率に基づいて電源部を制御する制御部１５０，１６０とを備える。制御部は、電力伝送効率が第１の判断基準値よりも小さい場合には、給電コイルへの電力供給が停止状態又は間欠供給状態となるように電源部を制御し、電力伝送効率が第１の判断基準値以上であり、第２の判断基準値よりも小さい場合には、給電コイルへの電力供給が第１の電力供給状態となるように電源部を制御し、電力伝送効率が第２の判断基準値以上である場合には、給電コイルへの電力供給が第２の電力供給状態となるように電源部を制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
受電コイルを有するワイヤレス受電装置に非接触で電力供給を行うワイヤレス給電装置であって、
給電コイルであって、前記給電コイルと前記受電コイルとの磁気結合に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルに電力供給を行うための当該給電コイルと、
前記給電コイルに交流電力を供給する電源部と、
前記給電コイルから前記受電コイルへの電力伝送効率を算出し、当該電力伝送効率に基づいて前記電源部を制御する制御部と、を備え、
前記制御部は、
前記電力伝送効率が第１の判断基準値よりも小さい場合には、前記給電コイルへの電力供給が停止状態又は間欠供給状態となるように前記電源部を制御し、
前記電力伝送効率が前記第１の判断基準値以上であり、第２の判断基準値よりも小さい場合には、前記給電コイルへの電力供給が第１の電力供給状態となるように前記電源部を制御し、ここで、前記第２の判断基準値は前記第１の判断基準値より大きく、
前記電力伝送効率が前記第２の判断基準値以上である場合には、前記給電コイルへの電力供給が第２の電力供給状態となるように前記電源部を制御する、
ワイヤレス給電装置。
【請求項２】
前記第１の電力供給状態において前記給電コイルに供給する交流電力は、前記第２の電力供給状態において前記給電コイルに供給する交流電力よりも小さい、請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項３】
前記制御部は、
前記電力伝送効率が前記第１の判断基準値以上に上昇しても、前記給電コイルへの電力供給を開始せず、前記電力伝送効率が前記第２の判断基準値以上に上昇した場合に、前記給電コイルへの電力供給を開始するように、前記電源部を制御し、
前記電力伝送効率が前記第２の判断基準値よりも小さく低下しても、前記給電コイルへの電力供給を停止せず、前記電力伝送効率が前記第１の判断基準値よりも小さく低下した場合に、前記給電コイルへの電力供給を停止するように、前記電源部を制御する、
請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項４】
前記制御部は、前記給電コイルに供給する交流電力の周波数を可変することによって、前記電力伝送効率を調整する、請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項５】
前記制御部は、前記給電コイルのインピーダンスを可変することによって、前記電力伝送効率を調整する、請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項６】
前記制御部は、前記第２の電力供給状態において前記給電コイルへ供給する交流電力の周波数の可変範囲が、前記第１の電力供給状態において前記給電コイルへ供給する交流電力の周波数の可変範囲よりも小さくなるように、前記電源部を制御する、請求項４に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項７】
前記制御部は、前記第２の電力供給状態における前記給電コイルのインピーダンスの可変範囲が、前記第１の電力供給状態における前記給電コイルのインピーダンスの可変範囲よりも小さくなるように、前記電源部を制御する、請求項５に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項８】
前記給電コイルへの電力供給が、停止状態又は間欠供給状態、第１の電力供給状態、又は、第２の電力供給状態であることを識別可能に報知する報知部を更に有する、請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項９】
前記第２の判断基準値は設定変更可能である、請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項１０】
前記第１の判断基準値は、前記給電コイルに供給する交流電力に応じて変更可能である、請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項１１】
前記制御部は、前記給電コイルから前記受電コイルへの電力伝送効率として、前記電源部の入力電力と前記給電コイルに供給する交流電力との比率、又は、前記電源部の入力電流と前記給電コイルに供給する交流電流との比率を算出する、請求項１に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項１２】
前記受電コイルと受電コンデンサとを含む受電共振回路を有する前記ワイヤレス受電装置に非接触で電力供給を行う、請求項１に記載のワイヤレス給電装置であって、
前記給電コイルと給電コンデンサとを含み、前記給電コイルと前記受電コイルとの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルに電力供給を行うための給電共振回路を更に有する、
ワイヤレス給電装置。
【請求項１３】
前記制御部は、前記給電共振回路のインピーダンスを可変することによって、前記電力伝送効率を調整する、請求項１２に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項１４】
前記制御部は、前記第２の電力供給状態における前記給電共振回路のインピーダンスの可変範囲が、前記第１の電力供給状態における前記給電共振回路のインピーダンスの可変範囲よりも小さくなるように、前記電源部を制御する、請求項１３に記載のワイヤレス給電装置。
【請求項１５】
前記受電コイルと受電コンデンサとを含む受電共振回路を有する前記ワイヤレス受電装置に非接触で電力供給を行う、請求項１に記載のワイヤレス給電装置であって、
前記給電コイルは、実質的に共振回路を構成せず、前記給電コイルと前記受電コイルとの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルに電力供給を行う、
ワイヤレス給電装置。
【請求項１６】
請求項１に記載のワイヤレス給電装置と、受電コイルを有するワイヤレス受電装置との間で非接触で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムであって、前記ワイヤレス給電装置における給電コイルと前記ワイヤレス受電装置における受電コイルとの磁気結合に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルに電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システム。
【請求項１７】
請求項１２に記載のワイヤレス給電装置と、受電コイルと受電コンデンサとを含む受電共振回路を有するワイヤレス受電装置との間で非接触で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムであって、前記ワイヤレス給電装置における給電コイルと前記ワイヤレス受電装置における受電コイルとの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルに電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システム。
【請求項１８】
請求項１５に記載のワイヤレス給電装置と、受電コイルと受電コンデンサとを含む受電共振回路を有するワイヤレス受電装置との間で非接触で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムであって、前記ワイヤレス給電装置における給電コイルと前記ワイヤレス受電装置における受電コイルとの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルに電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、非接触で電力伝送を行うためのワイヤレス給電装置、及び、ワイヤレス電力伝送システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
特許文献１には、磁気結合（電磁結合）の一種である電磁誘導作用を利用して、給電コイル（１次側巻線）から受電コイル（二次側巻線）へ非接触で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システム（無接点電力伝送装置）が開示されている。
【０００３】
この種のワイヤレス電力伝送システムでは、給電コイル及び受電コイルのインダクタンスのばらつき、給電コイルと受電コイルとの相対距離の変化、給電コイル又は受電コイルの位置ずれ、及び、給電コイルと受電コイルとの間への異物侵入などに起因して、給電コイルと受電コイルとの結合状態が変化し（例えば、これらのコイルの相互インダクタンスがずれて）、電力伝送効率が低下してしまう。
【０００４】
この点に関し、特許文献１には、給電コイルに交流電力又は電流を供給する手段と、給電コイルに供給する電力又は電流を検出する手段とを備え、給電コイルに供給する電力又は電流が最大となるように、交流電力又は電流の周波数を制御することが記載されている。これにより、電力伝送効率の低下を回避し、伝送効率を向上させることができるとしている。
【０００５】
一方、特許文献２には、磁気結合（電磁結合）の一種である磁場共振現象（磁場共鳴現象）を利用して、ワイヤレス給電装置からワイヤレス受電装置へ非接触（無線）で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムが開示されている。このワイヤレス電力伝送システムでは、ワイヤレス給電装置は、給電コイルと浮遊容量とを有する給電共振回路を備え、また、ワイヤレス受電装置も、受電コイルと浮遊容量とを有する受電共振回路を備える。
【０００６】
この種のワイヤレス電力伝送システムでも、給電共振回路及び受電共振回路を構成する部品の特性ばらつき、給電コイルと受電コイルとの相対距離の変化、給電コイル又は受電コイルの位置ずれ、及び、給電コイルと受電コイルとの間への異物侵入などに起因して、給電共振回路と受電共振回路との結合状態が変化し（例えば、これらの共振回路の共振周波数がずれたり、これらの共振回路におけるコイルの相互インダクタンスがずれたりし）、電力伝送効率が低下してしまう。
【０００７】
この点に関し、特許文献２に開示のワイヤレス電力伝送システムでも、給電共振回路における給電コイルに供給する交流電力又は電流の周波数を制御することによって、電力伝送効率の低下を回避し、伝送効率を向上させることができると考えられる。
【０００８】
ところで、給電共振回路及び受電共振回路を構成する部品の特性ばらつき、給電コイルと受電コイルとの相対距離の変化、給電コイル又は受電コイルの位置ずれ、及び、給電コイルと受電コイルとの間への異物侵入などに起因して電力伝送効率が低下している場合に、電力伝送を継続すると、送受信システムの損失や不要輻射が増大し、これらの危険要因に起因して何らかの障害が発生する虞がある。
【０００９】
この点に関し、特許文献２には、給電共振回路における給電コイルに供給する交流電力又は電流の周波数を所定の範囲で変化させた周波数プロファイル、すなわち、電力伝送状態の周波数依存性を示す周波数プロファイルを取得し、取得した周波数プロファイルを予め測定した正常時の周波数プロファイルと比較して、取得した周波数プロファイルが正常時の周波数プロファイルと一致しない場合には電力伝送を停止することが記載されている。これにより、電力伝送効率の低下に起因する障害の発生を回避することができるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特開２０１０−２２０７６号公報
【特許文献２】特開２０１０−２３９８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
ところで、この種のワイヤレス電力伝送システムでは、電力伝送効率が低下したとしても、ワイヤレス電力伝送システム固有の損失が小さく、不要輻射が法定基準以下であれば、電力伝送を継続することが可能である。しかしながら、特許文献２に開示のワイヤレス電力伝送システムでは、取得した周波数プロファイルが正常時の周波数プロファイルと一致しない場合には全て危険と判断されて、電力伝送を停止してしまう（ロバスト制御性が低い）。
【００１２】
そこで、本発明は、電力伝送効率の低下に起因する障害の発生を回避しつつ、電力伝送効率が低下しても電力伝送を継続する（ロバスト制御性を高める）ことができるワイヤレス給電装置、及び、ワイヤレス電力伝送システムを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明のワイヤレス給電装置は、受電コイルを有するワイヤレス受電装置に非接触で電力供給を行うワイヤレス給電装置であって、給電コイルであって、前記給電コイルと前記受電コイルとの磁気結合に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルに電力供給を行うための当該給電コイルと、前記給電コイルに交流電力を供給する電源部と、前記給電コイルから前記受電コイルへの電力伝送効率を算出し、当該電力伝送効率に基づいて前記電源部を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記電力伝送効率が第１の判断基準値よりも小さい場合には、前記給電コイルへの電力供給が停止状態又は間欠供給状態となるように前記電源部を制御し、前記電力伝送効率が前記第１の判断基準値以上であり、第２の判断基準値よりも小さい場合には、前記給電コイルへの電力供給が第１の電力供給状態となるように前記電源部を制御し、ここで、前記第２の判断基準値は前記第１の判断基準値より大きく、前記電力伝送効率が前記第２の判断基準値以上である場合には、前記給電コイルへの電力供給が第２の電力供給状態となるように前記電源部を制御する。
【００１４】
このワイヤレス給電装置によれば、電力伝送効率が第１の判断基準値よりも小さい場合には、制御部によって、給電コイルへの電力供給を停止状態又は間欠供給状態とするので、電力伝送効率の低下に起因する障害の発生を回避することができる。
【００１５】
また、このワイヤレス給電装置によれば、電力伝送効率が第１の判断基準値以上である場合には電力伝送を可能とすると共に、電力伝送効率が第２の判断基準値よりも小さい場合には、第２の判断基準値以上である場合の第２の電力供給状態とは異なる第１の電力供給状態とする。例えば、電力伝送状態が良好な第２の電力供給状態に対して、電力伝送状態が良好ではないが、障害の発生の可能性が低い第１の電力供給状態では、給電コイルへの供給電力を小さくする。これにより、電力伝送効率が低下してもワイヤレス電力伝送システム固有の損失や不要輻射を抑制しつつ電力伝送を継続する（ロバスト制御性を高める）ことができる。
【００１６】
また、特許文献２に開示のワイヤレス電力伝送システムでは、例えば部品の特性ばらつきのために、製品ごとに正常時の周波数プロファイルを取得する必要があり、コストアップの可能性がある。しかしながら、本発明のワイヤレス給電装置によれば、製品ごとに判断基準を設定する必要がない。
【００１７】
また、特許文献２に開示のワイヤレス電力伝送システムでは、周波数プロファイルを取得する際に所定の周波数範囲でのスイープが必要であり、判断に時間を要する。しかしながら、本発明のワイヤレス給電装置によれば、比較的短時間で判断が可能である。
【００１８】
上記したワイヤレス給電装置では、前記第１の電力供給状態において前記給電コイルに供給する交流電力は、前記第２の電力供給状態において前記給電コイルに供給する交流電力よりも小さい。これにより、電力伝送効率が低下しても、ワイヤレス電力伝送システム固有の損失や不要輻射を抑制しつつ、電力伝送を継続する（ロバスト制御性を高める）ことができる。
【００１９】
上記した制御部は、前記電力伝送効率が前記第１の判断基準値以上に上昇しても、前記給電コイルへの電力供給を開始せず、前記電力伝送効率が前記第２の判断基準値以上に上昇した場合に、前記給電コイルへの電力供給を開始するように、前記電源部を制御し、前記電力伝送効率が前記第２の判断基準値よりも小さく低下しても、前記給電コイルへの電力供給を停止せず、前記電力伝送効率が前記第１の判断基準値よりも小さく低下した場合に、前記給電コイルへの電力供給を停止するように、前記電源部を制御する。このヒステリシス動作特性により、電力伝送動作のＯＮ−ＯＦＦチャタリングを防止することができる。
【００２０】
また、上記した制御部は、前記給電コイルに供給する交流電力の周波数を可変することによって、前記電力伝送効率を調整する。これにより、電力伝送効率の低下を抑制することができる。
【００２１】
また、上記した制御部は、前記給電コイルのインピーダンスを可変することによって、前記電力伝送効率を調整する。これにより、電力伝送効率の低下を抑制することができる。
【００２２】
また、上記した制御部は、前記第２の電力供給状態において前記給電コイルへ供給する交流電力の周波数の可変範囲が、前記第１の電力供給状態において前記給電コイルへ供給する交流電力の周波数の可変範囲よりも小さくなるように、前記電源部を制御する。これにより、第１の電力供給状態における制御動作時間に対して、第２の電力供給状態における制御動作時間を短縮することができる。
【００２３】
また、上記した制御部は、前記第２の電力供給状態における前記給電コイルのインピーダンスの可変範囲が、前記第１の電力供給状態における前記給電コイルのインピーダンスの可変範囲よりも小さくなるように、前記電源部を制御する。これにより、第１の電力供給状態における制御動作時間に対して、第２の電力供給状態における制御動作時間を短縮することができる。
【００２４】
上記したワイヤレス給電装置は、前記給電コイルへの電力供給が、停止状態又は間欠供給状態、第１の電力供給状態、又は、第２の電力供給状態であることを識別可能に報知する報知部を更に有する。報知部としては、例えば、ＬＥＤやディスプレイといった表示装置や、スピーカといった警報装置などが適用可能である。これによれば、ユーザは、電力伝送状態を認識することができ、例えば、好ましい動作状態になるように、ワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置との位置の調整や、ワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置との間の異物除去等を行うことができる。
【００２５】
また、上記したワイヤレス給電装置では、前記第２の判断基準値は設定変更可能である。これにより、ユーザによって、障害の発生を回避するための第１の判断基準値以外の第２の判断基準値を任意に設定変更可能となり、ユーザフレンドリを実現することができる。
【００２６】
また、上記したワイヤレス給電装置では、前記第１の判断基準値は、前記給電コイルに供給する交流電力に応じて変更可能である。例えば、低電力伝送動作時には、障害の発生を回避するための第１の判断基準値も小さく設定可能である。本発明のワイヤレス給電装置よれば、低電力伝送動作時には第１の判断基準値を小さく設定することができ、その結果、伝送距離を伸ばすことができる。
【００２７】
また、上記した制御部は、前記給電コイルから前記受電コイルへの電力伝送効率として、前記電源部の入力電力と前記給電コイルに供給する交流電力との比率、又は、前記電源部の入力電流と前記給電コイルに供給する交流電流との比率を算出する。これは、給電コイルから受電コイルへの電力伝送効率に依存して、電源部の入力電力と給電コイルの入力電力との比率が変動することに基づくものである。
【００２８】
本発明の別のワイヤレス給電装置は、受電コイルと受電コンデンサとを含む受電共振回路を有するワイヤレス受電装置に非接触で電力供給を行うワイヤレス給電装置であって、上記したワイヤレス給電装置において、給電コイルと給電コンデンサとを含み、給電コイルと受電コイルとの磁場共振現象に基づき、給電コイルから受電コイルに電力供給を行うための給電共振回路を更に有する。
【００２９】
ここで、「給電コイルと受電コイルとの磁場共振現象」とは、給電コイルによって発生する交流磁場に基づく受電共振回路の共振現象を意味する。この磁場共振現象も磁気結合（電磁結合）の一種である。給電コイルに交流電流を供給すると、給電コイルによって交流磁場が発生する。これによって、給電コイルと受電コイルとが磁場結合し、受電共振回路が共振する。
【００３０】
上記した制御部は、前記給電共振回路のインピーダンスを可変することによって、前記電力伝送効率を調整する。これにより、電力伝送効率の低下を抑制することができる。
【００３１】
また、上記した制御部は、前記第２の電力供給状態における前記給電共振回路のインピーダンスの可変範囲が、前記第１の電力供給状態における前記給電共振回路のインピーダンスの可変範囲よりも小さくなるように、前記電源部を制御する。これにより、第１の電力供給状態における制御動作時間に対して、第２の電力供給状態における制御動作時間を短縮することができる。
【００３２】
本発明の更に別のワイヤレス給電装置は、受電コイルと受電コンデンサとを含む受電共振回路を有するワイヤレス受電装置に非接触で電力供給を行うワイヤレス給電装置であって、上記したワイヤレス給電装置において、上記した給電コイルは、実質的に共振回路を構成せず、給電コイルと受電コイルとの磁場共振現象に基づき、給電コイルから受電コイルに電力供給を行う。
【００３３】
ここで、「実質的に共振回路を構成しない」とは、受電共振回路の共振周波数を共振周波数とする共振回路を形成しないことを意味するものであり、給電コイルが何らかの回路要素と偶発的に共振することまでも排除する意味ではない。例えば、「実質的に共振回路を構成しない」とは、受電共振回路の共振周波数を共振周波数とする共振回路を形成するために、給電コイルに対して直列又は並列にコンデンサを設けることを行わないことを意味するものである。
【００３４】
ところで、本願発明者らは、給電共振回路と受電共振回路との２つの共振回路を備えるシステムにおいて、伝送電力の力率が１となる周波数が２つ存在し、これらの周波数は、共振コイル間距離が少し変化しただけで変動してしまうことを発見した。これより、特許文献２に開示のワイヤレス電力伝送システムでは、共振コイル間距離が少し変化しただけで周波数プロファイルが変化してしまい、障害の発生の可能性が低い状態にも電力伝送を停止してしまうことが予想される（ロバスト制御性が低い）。しかしながら、本発明のワイヤレス給電装置によれば、共振コイル間距離の変動に起因して、電力伝送を不要に停止してしまうことがない（ロバスト制御性が高い）。
【００３５】
本発明のワイヤレス電力伝送システムは、上記したワイヤレス給電装置と、受電コイルを有するワイヤレス受電装置との間で非接触で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムであって、前記ワイヤレス給電装置における給電コイルと前記ワイヤレス受電装置における受電コイルとの磁気結合に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルに電力伝送を行う。
【００３６】
また、本発明のワイヤレス電力伝送システムは、上記した別のワイヤレス給電装置と、受電コイルと受電コンデンサとを含む受電共振回路を有するワイヤレス受電装置との間で非接触で電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムであって、前記ワイヤレス給電装置における給電コイルと前記ワイヤレス受電装置における受電コイルとの磁場共振現象に基づき、前記給電コイルから前記受電コイルに電力伝送を行う。
【００３７】
このワイヤレス電力伝送システムによれば、上記したワイヤレス給電装置を備えているので、電力伝送効率の低下に起因する障害の発生を回避することができると共に、電力伝送効率が低下してもワイヤレス電力伝送システム固有の損失や不要輻射を抑制しつつ電力伝送を継続する（ロバスト制御性を高める）ことができる。
【発明の効果】
【００３８】
本発明によれば、電力伝送効率の低下に起因する障害の発生を回避しつつ、電力伝送効率が低下しても電力伝送を継続する（ロバスト制御性を高める）ことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の実施形態のワイヤレス電力伝送システム及びワイヤレス給電装置の構成の一例を示す回路ブロック図である。
【図２】図１に示す信号処理部による電力伝送状態判断処理のための判断基準値と電力伝送状態を示す図である。
【図３】図１に示す整合回路の構成の一例を示す図である。
【図４】図３に示す整合回路のインダクタンス及びキャパシタンスと、電力伝送効率（すなわち、判断基準値）との関係を示す図である。
【図５】起動時に給電共振回路の駆動周波数及びインピーダンスのうちの何れか一方のみを調整して、電力伝送効率の最適化を行う場合のワイヤレス給電装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図６】図５に示す周波数又はインピーダンス調整処理の一例を示すフローチャートである。
【図７】図５に示す電力伝送状態判断処理の一例を示すフローチャートである。
【図８】図５に示すエラー処理の一例を示すフローチャートである。
【図９】電力伝送時に給電共振回路の駆動周波数及びインピーダンスのうちの何れか一方のみを調整して、電力伝送効率の最適化を行う場合のワイヤレス給電装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１０】図９に示す電力伝送効率監視処理の一例を示すフローチャートである。
【図１１】図９に示す周波数又はインピーダンス調整処理の一例を示すフローチャートである。
【図１２】起動時に給電共振回路の駆動周波数及びインピーダンスのうちの両方を調整して、電力伝送効率の最適化を行う場合のワイヤレス給電装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１３】電力伝送時に給電共振回路の駆動周波数及びインピーダンスのうちの両方を調整して、電力伝送効率の最適化を行う場合のワイヤレス給電装置の動作の一例を示すフローチャートである。
【図１４】本発明の変形例のワイヤレス電力伝送システム及びワイヤレス給電装置の構成の一例を示す回路ブロック図である。
【図１５】本発明の変形例のワイヤレス電力伝送システム及びワイヤレス給電装置の構成の一例を示す回路ブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００４０】
以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
【００４１】
図１は、本発明の実施形態のワイヤレス電力伝送システムの構成の一例を示す回路ブロック図である。このワイヤレス電力伝送システム１は、ワイヤレス給電装置１００とワイヤレス受電装置２００とを備え、ワイヤレス給電装置１００からワイヤレス受電装置２００へ非接触で電力伝送を行うものである。
【００４２】
ワイヤレス給電装置１００は、給電コイル１１１と給電コンデンサ１１２とを含む給電共振回路１１０を有する。一方、ワイヤレス受電装置２００は、受電コイル２１１と受電コンデンサ２１２とを含む受電共振回路２１０を有する。本実施形態では、給電共振回路１１０は、給電コイル１１１と電磁結合するエキサイトコイル１１３を有し、受電共振回路２１０は、受電コイル２１１と電磁結合するロードコイル２１３を有する。
【００４３】
ワイヤレス給電装置１００では、給電共振回路１１０に交流電流（例えば、方形波または正弦波の電流）を供給することによって、給電コイル１１１と受電コイル２１１との磁場共振現象に基づき、給電コイル１１１から受電コイル２１１に電力供給が行われる。ここで、「給電コイル１１１と受電コイル２１１との磁場共振現象」とは、給電コイル１１１によって発生する交流磁場に基づく受電共振回路２１０の共振現象を意味する。給電共振回路１１０に交流電流を供給すると、エキサイトコイル１１３に交流電流が流れ、エキサイトコイル１１３と給電コイル１１１との電磁誘導作用によって給電コイル１１１と給電コンデンサ１１２との共振回路に交流電流が流れ、給電コイル１１１によって交流磁場が発生する。これによって、給電コイル１１１と受電コイル２１１とが磁場結合し、受電共振回路２１０が共振する。すると、受電コイル２１１と受電コンデンサ２１２との共振回路に交流電流が流れ、受電コイル２１１とロードコイル２１３との電磁誘導作用によってロードコイル２１３に交流電流が流れる。その際、給電共振回路１１０の共振周波数と受電共振回路２１０の共振周波数とを一致させると、伝送電力の力率を１とすることができ、高効率な電力伝送を行うことが可能となる。あるいは、給電コイル１１１に供給する交流電流の周波数と受電共振回路２１０の共振周波数とを一致させると、伝送電力の力率を１とすることができ、高効率な電力伝送を行うことが可能となる。
【００４４】
次に、ワイヤレス給電装置１００及びワイヤレス受電装置２００それぞれについて詳細に説明する。
【００４５】
まず、ワイヤレス給電装置１００は、給電共振回路１１０と、電源部１２０と、平滑部１２２と、整合回路１３０と、電力検出部１４０，１４２と、信号処理部１５０と、制御部１６０と、表示部１７０と、記憶部１８０と、通信部１９０とを備える。なお、本実施形態では、信号処理部１５０と制御部１６０とが、請求の範囲に記載した制御部として機能し、表示部１７０が、請求の範囲に記載した報知部として機能する。
【００４６】
電源部１２０は、平滑部１２２によって平滑化された入力電力を受けて、給電共振回路１１０に供給するための交流電力（すなわち、上述した交流電流）を生成する。電源部１２０は、制御部１６０からの制御信号に応じて、交流電力の大きさを変更することが可能となっている。また、電源部１２０は、制御部１６０からの制御信号に応じて、交流電力の周波数を変更することが可能となっている。電源部１２０には、例えば、スイッチングコンバータ、スイッチングインバータ等のスイッチング電源が適用される。
【００４７】
整合回路１３０は、給電共振回路１１０に設けられている。整合回路１３０は、制御部１６０からの制御信号に応じて、自身のインピーダンスを変更することによって、給電共振回路１１０のインピーダンス（すなわち、上述した給電共振回路１１０の共振周波数）を変更する。
【００４８】
図３に、整合回路１３０の一例を示す。図３に示すように、整合回路１３０は、インダクタＬと、キャパシタＣ１，Ｃ２と、スイッチＳＷ１，ＳＷ２とから構成される。スイッチＳＷ１，ＳＷ２によって、整合回路１３０には様々な回路構成が適用される。例えば、整合回路１３０には、インダクタＬとキャパシタＣ１，Ｃ２とからなるπ型のＬＣフィルタ構成が適用されてもよいし、インダクタＬと、キャパシタＣ１又はキャパシタＣ２とからなるＬ型のＬＣフィルタ構成が適用されてもよい。
【００４９】
この整合回路１３０では、インダクタＬのインダクタンス、及び、キャパシタＣ１，Ｃ２のキャパシタンスのうちの少なくとも何れかを変更することによって、自身のインピーダンスを変更する。例えば、キャパシタＣ１，Ｃ２には、電圧制御によって容量を可変することができるバラクタダイオードが適用可能である。一方、インダクタＬには、例えば、スイッチでインダクタの段数を選択することによってインダクタンスを可変することができるスイッチ切り替え型インダクタが適用可能である。
【００５０】
電源部１２０の入力側及び出力側それぞれには、電力検出部１４０，１４２が設けられている。電力検出部１４０は、電源部１２０の入力電力を検出する。一方、電力検出部１４２は、電源部１２０の出力電力、すなわち、給電共振回路１１０に供給される電力を検出する。なお、電力検出部１４２は、給電共振回路１１０に設けられている。
【００５１】
信号処理部１５０は、ワイヤレス給電装置１００からワイヤレス受電装置２００への電力伝送効率を求める。具体的には、信号処理部１５０は、電力検出部１４０によって検出された電源部１２０の入力電力と、電力検出部１４２によって検出された給電共振回路１１０の入力電力との比率を、ワイヤレス給電装置１００からワイヤレス受電装置２００への電力伝送効率として算出する。これは、ワイヤレス給電装置１００からワイヤレス受電装置２００への電力伝送効率に依存して、電源部１２０の入力電力と給電共振回路１１０の入力電力との比率が変動することに基づくものである。これにより、ワイヤレス給電装置１００の起動時など、ワイヤレス受電装置２００の存在が確認できていない状態でも、電力伝送効率を予想することが可能となる。
【００５２】
一方、ワイヤレス受電装置２００の存在が確認でき、後述する通信部１９０によってワイヤレス受電装置２００の電力情報を取得できる場合には、信号処理部１５０は、通信部１９０によって取得したワイヤレス受電装置２００の電力と、電力検出部１４０によって検出された電源部１２０の入力電力との比率、すなわち、ワイヤレス給電装置１００からワイヤレス受電装置２００への電力伝送効率そのものを算出してもよい。
【００５３】
信号処理部１５０は、算出した電力伝送効率に基づいて、ワイヤレス給電装置１００からワイヤレス受電装置２００への電力伝送状態の判断を行う。具体的には、信号処理部１５０は、求めた電力伝送効率を、予め設定された３つの判断基準値と比較し、４つの電力伝送状態に区分する。
【００５４】
図２に、３つの判断基準値と４つの電力伝送状態を示す。第１の判断基準値は、電力伝送を許容できる電力伝送効率の下限レベルであり、例えば、電力伝送効率６０％である。電力伝送効率がこの第１の判断基準値より小さくなると、電力伝送状態はエラー状態、すなわち、ワイヤレス電力伝送システム固有の損失が増大し過ぎる虞があり、また、不要輻射が法定基準を超える虞がある状態であると判断される。次に、第２の判断基準値は、電力伝送を略安全に許容できる電力伝送効率の下限レベルであり、例えば、電力伝送効率８０％である。電力伝送効率がこの第２の判断基準値より小さくなると、電力伝送状態は警告状態、すなわち、電力伝送は許容できるが、状態変化によりエラー状態になる可能性がある状態であると判断される。次に、第３の判断基準値は、電力伝送を良好に行うことができる電力伝送効率の下限レベルであり、例えば、電力伝送効率９０％である。電力伝送効率がこの第３の判断基準値以上になると、電力伝送状態は正常状態、すなわち、電力伝送を良好に行うことができる状態であると判断される。一方、電力伝送効率がこの第３の判断基準値より小さくなると、電力伝送状態は準正常状態、すなわち、電力伝送が良好ではないが、電力伝送を略安全に行い、許容できる状態であると判断される。
【００５５】
制御部１６０は、信号処理部１５０の判断結果、すなわち電力伝送状態に基づいて、電源部１２０による電力供給を制御する。具体的には、制御部１６０は、エラー状態の場合には電力供給を停止させる。一方、制御部１６０は、正常状態の場合には供給電力を制限させず、準正常状態の場合には正常状態の場合よりも供給電力を制限させ（第２の電力供給状態）、警告状態の場合には準正常状態の場合よりも更に供給電力を制限させる（第１の電力供給状態）。より具体的には、電源部１２０では、スイッチング電源のスイッチング動作のデューティ比を制御することによって、電力供給の制御を行うことができる、すなわち、電力供給状態を変化させることができる。スイッチング電源のスイッチング制御方式としては、パルス幅を可変するＰＷＭ方式、パルスの位相を可変するフェーズシフト方式等の様々な方式が適用可能である。
【００５６】
また、制御部１６０は、信号処理部１５０の判断結果、すなわち電力伝送状態に基づいて、電源部１２０及び整合回路１３０のうちの何れかを制御し、電力伝送効率の最適化を行う。具体的には、制御部１６０は、正常状態以外の場合に、電力伝送効率が最大になるように、電源部１２０の出力電力の周波数（すなわち、給電共振回路１１０に供給する交流電力の周波数）、及び、整合回路１３０のインピーダンス（すなわち、給電共振回路１１０のインピーダンス）のうちの何れかを変更する。電力伝送効率の最適化は、予め設定された周波数可変範囲において所定ステップで、又は、予め設定されたインピーダンス可変範囲において所定ステップで行われる。
【００５７】
制御部１６０は、電力伝送効率の最適化における周波数可変範囲又はインピーダンス可変範囲を、電力伝送状態に応じて変更する。例えば、制御部１６０は、エラー状態、警告状態、準正常状態の場合に、それぞれ、周波数可変範囲又はインピーダンス可変範囲を第１、第２、第３の可変範囲に設定する。第１の可変範囲は、電力伝送効率が非常に悪いところから第１の判断基準値以上になる程度まで調整できる範囲であって、比較的に広い。第１の可変範囲は、この第１の可変範囲における所定ステップの１〜数点、好ましくは１〜３点において、電力伝送効率が第１の判断基準値以上になるように設定される。次に、第２の可変範囲は、電力伝送効率が第１の判断基準値以上から第２の判断基準値以上になる程度まで調整できる範囲であって、第１の可変範囲に比べて狭い。第２の可変範囲も同様に、この第２の可変範囲における所定ステップの１〜数点、好ましくは１〜３点において、電力伝送効率が第２の判断基準値以上になるように設定される。次に、第３の可変範囲は、電力伝送効率が第２の判断基準値以上から第３の判断基準値以上になる程度まで調整できる範囲であって、第２の可変範囲に比べて更に狭い。第３の可変範囲も同様に、この第３の可変範囲における所定ステップの１〜数点、好ましくは１〜３点において、電力伝送効率が第３の判断基準値以上になるように設定される。
【００５８】
表示部１７０は、信号処理部１５０による判断結果、すなわち電力伝送状態を識別可能に表示する。表示部１７０としては、例えば、ＬＥＤやディスプレイなどが適用可能である。表示部１７０がＬＥＤで構成される場合、電力伝送状態ごとに異なる色、異なる点灯個数で表示すればよい。例えば、電力伝送状態を色で表示する場合、エラー状態では赤ＬＥＤを、警告状態では黄色ＬＥＤを、準正常状態及び正常状態では緑色ＬＥＤを点灯すればよい。
【００５９】
記憶部１８０は、ワイヤレス給電装置１００からワイヤレス受電装置２００への電力伝送状態の判断を行うための第１〜第３の判断基準値や、電力伝送状態に対応した所望の電力供給量等を予め記憶している。また、記憶部１８０は、電力伝送効率の最適化のための周波数可変範囲（第１〜第３の可変範囲）及びその可変ステップデータや、電力伝送効率の最適化のためのインピーダンス可変範囲（第１〜第３の可変範囲）及びその可変ステップデータ等を予め記憶している。また、記憶部１８０には、算出した電力伝送効率情報データや、判断した電力伝送状態情報データ等が記憶される。
【００６０】
図４に、整合回路１３０のインダクタンス及びキャパシタンスと、電力伝送効率（すなわち、第１〜第３の判断基準値）との関係を示す。電力伝送効率の最適化のためのインピーダンス可変ステップデータは、図４を考慮して予め設定したインダクタンスとキャパシタンスとの組み合わせデータであればよい。
【００６１】
通信部１９０は、ワイヤレス受電装置２００における通信部２７０と通信を行い、情報の送受信を行う。例えば、通信部１９０は、通信部２７０からワイヤレス受電装置２００の電力情報を取得する。
【００６２】
次に、ワイヤレス受電装置２００は、受電共振回路２１０と、整流部２２０と、平滑部２２２と、電力検出部２３０と、信号処理部２４０と、表示部２５０と、記憶部２６０と、通信部２７０とを備える。
【００６３】
整流部２２０は、受電共振回路２１０によって受信した交流電力を整流する。整流された電力は、平滑部２２２によって平滑化されて、負荷３００に供給される。電力検出部２３０は、負荷３００に供給される電力を検出する。
【００６４】
信号処理部２４０は、信号処理部１５０と同様に、通信部２７０によって取得された電源部１２０の入力電力と、電力検出部２３０によって検出された負荷３００の入力電力との比率を、ワイヤレス給電装置１００からワイヤレス受電装置２００への電力伝送効率として算出する。そして、信号処理部２４０は、信号処理部１５０と同様に、算出した電力伝送効率に基づいて、ワイヤレス給電装置１００からワイヤレス受電装置２００への電力伝送状態の判断を行う。
【００６５】
表示部２５０は、表示部１７０と同様に、信号処理部２４０の判断結果、すなわち電力伝送状態を識別可能に表示する。
【００６６】
記憶部２６０は、記憶部１８０と同様に、ワイヤレス給電装置１００からワイヤレス受電装置２００への電力伝送状態の判断を行うための第１〜第３の判断基準値等を予め記憶している。また、記憶部２６０には、算出した電力伝送効率情報データや、判断した電力伝送状態情報データ等が記憶される。
【００６７】
通信部２７０は、ワイヤレス給電装置１００における通信部１９０と通信を行い、ワイヤレス給電装置１００の電力情報を取得する。
【００６８】
次に、本実施形態のワイヤレス給電装置１００の動作を説明する。
１．給電共振回路の駆動周波数及びインピーダンスのうちの何れか一方のみを調整して、電力伝送効率の最適化を行う場合
【００６９】
図５〜８は、起動時に給電共振回路の駆動周波数及びインピーダンスのうちの何れか一方のみを調整して、電力伝送効率の最適化を行う場合のワイヤレス給電装置の動作の一例を示すフローチャートであり、図９〜１１は、電力伝送時に給電共振回路の駆動周波数及びインピーダンスのうちの何れか一方のみを調整して、電力伝送効率の最適化を行う場合のワイヤレス給電装置の動作の一例を示すフローチャートである。
１．１．ワイヤレス給電装置起動時
【００７０】
図５に示すように、ワイヤレス給電装置１００の起動時には、まず、給電共振回路１１０の駆動周波数（すなわち、電源部１２０の出力電力の周波数）ｆ０、及び、給電共振回路１１０のインピーダンス（すなわち、整合回路１３０のインダクタンスＬ０、キャパシタンスＣ０）を初期値に設定する（イニシャライズ）（ステップＳ１００）。
【００７１】
次に、ワイヤレス給電装置１００からワイヤレス受電装置２００への電力伝送効率の最適化を行う。具体的には、信号処理部１５０及び制御部１６０によって、電力伝送効率が最大となるように、給電共振回路１１０の駆動周波数（すなわち、電源部１２０の出力電力の周波数）、又は、給電共振回路１１０のインピーダンス（すなわち、整合回路１３０のインダクタンス及びキャパシタンスの組）を調整する（ステップＳ２００）。
【００７２】
次に、信号処理部１５０によって、最適化後の電力伝送状態の判断を行う（ステップＳ３００）。電力伝送状態がエラー状態以外の状態である場合には（ステップＳ４００）、その電力伝送状態を表示部１７０に表示すると共に（ステップＳ５００）、制御部１６０によって給電共振回路１１０の駆動周波数又はインピーダンスを最適化した周波数又はインピーダンスに設定し（ステップＳ６００）、伝送電力を電力伝送状態に対応した所望の電力に設定して（ステップＳ７００）、電力伝送を開始する。一方、電力伝送状態がエラー状態である場合には（ステップＳ４００）、制御部１６０によって、エラー処理を行い（ステップＳ８００）、ステップＳ２００へ戻る。
【００７３】
次に、周波数又はインピーダンス調整処理Ｓ２００、電力伝送状態判断処理Ｓ３００、エラー処理Ｓ８００について説明する。
（周波数又はインピーダンス調整処理）
【００７４】
周波数又はインピーダンス調整処理Ｓ２００では、図６に示すように、信号処理部１５０及び制御部１６０によって、まず、処理フラグを１に設定し（ステップＳ２０１）、周波数又はインピーダンスの可変範囲を比較的広い第１の可変範囲に設定し（ステップＳ２０２）、定常状態に比べて十分に小さい電力で給電を開始し（ステップＳ２０３）、電力検知を行う（ステップＳ２０４）。このように、低電力によって周波数又はインピーダンス調整処理を行うことによって、電力伝送効率の最適化の際にもＥＭＣ対策や電源保護を行うことができる。
【００７５】
この電力検知が所定回数Ｎ回行われた後（ステップＳ２０５）、最も出現頻度が多い電力値から効率を算出する（ステップＳ２０６）。すなわち、多数回測定による平均値に対応する効率を算出する。その後、算出した効率と記憶部１８０に記憶されている前回の効率とを比較し、良いほうの効率情報を記憶部１８０に格納する（ステップＳ２０７）。このように、複数回の電力検知に基づいて効率を求めることによって、ノイズに起因する電力伝送効率の誤検出を抑制することができる。
【００７６】
その後、処理フラグが１であるか否かを判断する（ステップＳ２０８）。処理フラグが１である場合、格納した効率情報が第１の判断基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ２０９）。格納した効率情報が第１の判断基準値より小さい場合には、周波数又はインピーダンス調整処理を終了するか否かを判断し（ステップＳ２１０）、例えば、本ステップへの移行回数が所定回数以上である場合には、何らかの原因により電力伝送効率が低下していると判断して、周波数又はインピーダンス調整処理を終了する。周波数又はインピーダンス調整処理を終了しない場合には、初期値を中心とした周波数可変範囲又はインピーダンス可変範囲（ステップＳ２０２で設定された第１の可変範囲）における次の可変ステップの周波数又はインピーダンスを順次に設定し（ステップＳ２１３）、ステップＳ２０３へ戻って、周波数又はインピーダンス調整処理を繰り返す。
【００７７】
ステップＳ２０９において、第１の判断基準値以上である場合には、処理フラグを２に設定し（ステップＳ２１１）、周波数可変範囲又はインピーダンス可変範囲を第１の範囲よりも狭い第２の範囲に設定し（ステップＳ２１２）、ステップＳ２１３及びステップＳ２０３〜Ｓ２０８を経由してステップＳ２１４へ移行する。
【００７８】
ステップＳ２１４において、処理フラグが２であるか否かを判断する。処理フラグが２である場合、格納した効率情報が第２の判断基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ２１５）。格納した効率情報が第２の判断基準値より小さい場合には、周波数又はインピーダンス調整処理を終了するか否かを判断し（ステップＳ２１６）、例えば、本ステップへの移行回数が所定回数以上である場合には、何らかの原因により電力伝送効率が低下していると判断して、周波数又はインピーダンス調整処理を終了する。周波数又はインピーダンス調整処理を終了しない場合には、ステップＳ２１３へ移行し、周波数又はインピーダンス調整処理を繰り返す。
【００７９】
ステップＳ２１５において、第２の判断基準値以上である場合には、処理フラグを３に設定し（ステップＳ２１７）、周波数可変範囲又はインピーダンス可変範囲を第２の範囲よりも狭い第３の範囲に設定し（ステップＳ２１８）、ステップＳ２１３、ステップＳ２０３〜Ｓ２０８、ステップＳ２１４を経由してステップＳ２１９へ移行する。
【００８０】
ステップＳ２１９において、処理フラグが３であるか否かを判断する。処理フラグが３である場合、格納した効率情報が第３の判断基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ２２０）。格納した効率情報が第３の判断基準値より小さい場合には、周波数又はインピーダンス調整処理を終了するか否かを判断し（ステップＳ２２１）、例えば、本ステップへの移行回数が所定回数以上である場合には、何らかの原因により電力伝送効率が低下していると判断して、周波数又はインピーダンス調整処理を終了する。周波数又はインピーダンス調整処理を終了しない場合には、ステップＳ２１３へ移行し、周波数又はインピーダンス調整処理を繰り返す。
【００８１】
また、ステップＳ２２０において第３の判断基準値以上である場合にも、周波数又はインピーダンス調整処理を終了する。また、ステップＳ２１９において処理フラグが３でない場合にも周波数又はインピーダンス調整処理を終了する。
（電力伝送状態判断処理）
【００８２】
次に、電力伝送状態判断処理Ｓ３００では、図７に示すように、信号処理部１５０によって、まず、最適化した電力伝送効率が第３の判断基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ３０１）。最適化した電力伝送効率が第３の判断基準値以上である場合には、電力伝送が良好な正常状態であると判断して、この正常状態情報を記憶部１８０に格納する（ステップＳ３０２）。
【００８３】
一方、最適化した電力伝送効率が第３の判断基準値より小さい場合には、最適化した電力伝送効率が第２の判断基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ３０３）。最適化した電力伝送効率が第２の判断基準値以上である場合には、電力伝送が良好ではないが、電力伝送を略安全に行い、許容できる準正常状態であると判断して、この準正常状態情報を記憶部１８０に格納する（ステップＳ３０４）。
【００８４】
一方、最適化した電力伝送効率が第２の判断基準値より小さい場合には、最適化した電力伝送効率が第１の判断基準値以上であるか否かを判断する（ステップＳ３０５）。最適化した電力伝送効率が第１の判断基準値以上である場合には、電力伝送は許容できるが、状態変化によりエラー状態になる可能性がある警告状態であると判断して、この警告状態情報を記憶部１８０に格納する（ステップＳ３０６）。
【００８５】
一方、最適化した電力伝送効率が第１の判断基準値より小さい場合には、損失増大に起因して給電装置が破損する危険性があり、また、不要輻射が法定基準を超える危険性があるエラー状態であると判断して、このエラー状態情報を記憶部１８０に格納する（ステップＳ３０７）。
【００８６】
これらの記憶部１８０に格納された電力伝送状態情報に基づいて、図５のステップＳ５００において電力伝送状態が表示部１７０に表示されることとなる。
【００８７】
なお、ステップＳ４００では、電力伝送状態が警告状態ではステップＳ５００以降の処理へ移行せず、準正常状態になってからステップＳ５００以降の処理へ移行する。すなわち、電力伝送効率が第１の判断基準値以上に上昇しても、給電共振回路１１０への電力供給を開始せず、電力伝送効率が第２の判断基準値以上に上昇した場合に、給電共振回路１１０への電力供給を開始する。一方、電力伝送効率が第２の判断基準値よりも小さく低下しても、給電共振回路１１０への電力供給を停止せず、電力伝送効率が第１の判断基準値よりも小さく低下した場合に、給電共振回路１１０への電力供給を停止する。このヒステリシス動作特性により、電力伝送動作のＯＮ−ＯＦＦチャタリングを防止することができる。
（エラー処理）
【００８８】
次に、エラー処理Ｓ８００では、図８に示すように、制御部１６０によって、まず、電源部１２０による給電共振回路１１０への電力供給を停止し（ステップＳ８０１）、エラー状態を表示部１７０に表示する（ステップＳ８０２）。その後、給電共振回路１１０の駆動周波数及びインピーダンスを初期値にリセットし（ステップＳ８０３）、伝送電力を低電力にリセットし（ステップＳ８０４）、待機する（ステップＳ８０５）。
１．２．ワイヤレス給電装置電力伝送時
【００８９】
次に、電力伝送を開始した後の処理を説明する。図９に示すように、信号処理部１５０及び制御部１６０によって、電力伝送効率の監視を定期的に繰り返し、電力伝送効率が変化した場合に、その効率情報を格納すると共に（ステップＳ１１００）、周波数又はインピーダンス調整処理を行うことによって、電力伝送効率の最適化を行う（ステップＳ１２００）。そして、最適化後の電力伝送状態の判断を行い（ステップＳ３００）、電力伝送状態がエラー状態以外の状態である場合には（ステップＳ４００）、その電力伝送状態を表示部１７０に表示すると共に（ステップＳ５００）、給電共振回路１１０の駆動周波数又はインピーダンスを最適化した周波数又はインピーダンスに設定し（ステップＳ６００）、伝送電力を電力伝送状態に対応した所望の電力に設定して（ステップＳ７００）、この周波数又はインピーダンス調整処理によって効率が向上したか否かの判断を行う（ステップＳ１３００）。効率が向上した場合には、ステップＳ１１００の電力伝送効率監視処理へ戻る。一方、ステップＳ１３００において効率が向上しない場合には、ステップＳ１１００において記憶した効率情報を、周波数又はインピーダンス調整処理による調整後の効率情報に書き換え（ステップＳ１４００）、ステップＳ１２００の周波数又はインピーダンス調整処理を継続する。
【００９０】
なお、この電力伝送を開始した後の処理においては、ステップＳ４００において電力伝送状態がエラー状態である場合には、エラー処理を行い（ステップＳ８００）、図５に示すステップＳ２００の起動時の周波数又はインピーダンス調整処理へ移行する。
【００９１】
次に、電力伝送効率監視処理Ｓ１１００、周波数又はインピーダンス調整処理Ｓ１２００について説明する。
（電力伝送効率監視処理）
【００９２】
電力伝送効率監視処理Ｓ１１００では、図１０に示すように、信号処理部１５０及び制御部１６０によって、まず、所望の電力にて電力伝送を継続し（ステップＳ１１０１）、電力検知を行う（ステップＳ２０４）。この電力検知が所定回数Ｎ回行われた後（ステップＳ２０５）、最も出現頻度が多い電力値から効率を算出する（ステップＳ２０６）。その後、算出した効率が、記憶部１８０に記憶した最良の効率と略同じであるか否かを判断し（ステップＳ１１０２）、電力伝送効率が変化した場合にこの効率情報を記憶部１８０に記憶する（ステップＳ１１０３）。なお、電力伝送効率が変化していない場合には、ステップＳ２０４に戻り、電力検知を繰り返す。
（周波数又はインピーダンス調整処理）
【００９３】
次に、周波数又はインピーダンス調整処理Ｓ１２００について説明する。図１１に示すように、信号処理部１５０及び制御部１６０によって、まず、その時点での最良値を中心とした周波数可変範囲又はインピーダンス可変範囲における次の可変ステップの周波数又はインピーダンスを順次に設定し（ステップＳ１２０１）、所望の電力にて電力伝送を継続し（ステップＳ１２０２）、電力検知を行う（ステップＳ２０４）。この電力検知が所定回数Ｎ回行われた後（ステップＳ２０５）、最も出現頻度が多い電力値から効率を算出する（ステップＳ２０６）。その後、算出した効率と記憶部１８０に記憶した前回の効率とを比較し、良いほうの効率情報を記憶部１８０に格納する（ステップＳ２０７）。その後、周波数又はインピーダンス調整処理を終了するか否かを判断し（ステップＳ１２０３）、例えば、本ステップへの移行回数が所定回数以上である場合には、周波数又はインピーダンス調整処理を終了する。周波数又はインピーダンス調整処理を終了しない場合には、ステップＳ１２０１へ戻って、周波数又はインピーダンス調整処理を繰り返す。
２．給電共振回路の駆動周波数及びインピーダンスのうちの両方を調整して、電力伝送効率の最適化を行う場合
【００９４】
図１２は、起動時に給電共振回路の駆動周波数及びインピーダンスのうちの両方を調整して、電力伝送効率の最適化を行う場合のワイヤレス給電装置の動作の一例を示すフローチャートであり、図１３は、電力伝送時に給電共振回路の駆動周波数及びインピーダンスのうちの両方を調整して、電力伝送効率の最適化を行う場合のワイヤレス給電装置の動作の一例を示すフローチャートである。
２．１．ワイヤレス給電装置起動時
【００９５】
図１２に示すように、ワイヤレス給電装置１００の起動時、給電共振回路１１０の駆動周波数及びインピーダンスのうちの両方を調整して、電力伝送効率の最適化を行う場合、信号処理部１５０及び制御部１６０によって、最初に給電共振回路１１０のインピーダンス（すなわち、整合回路１３０のインダクタンス及びキャパシタンスの組）の調整（ステップＳ２００）、及び、電力伝送状態の判断を行い（ステップＳ３００）、調整後のインピーダンスを設定した状態で、給電共振回路１１０の駆動周波数（すなわち、電源部１２０の出力電力の周波数）の調整（ステップＳ２００）、及び、電力伝送状態の判断を行う（ステップＳ３００）。
【００９６】
なお、ステップＳ６００Ａでは、給電共振回路１１０の駆動周波数及びインピーダンスを最適化した周波数及びインピーダンスに設定する。
２．２．ワイヤレス給電装置電力伝送時
【００９７】
同様に、図１３に示すように、電力伝送を開始した後、給電共振回路１１０の駆動周波数及びインピーダンスのうちの両方を調整して、電力伝送効率の最適化を行う場合、信号処理部１５０及び制御部１６０によって、最初に給電共振回路１１０のインピーダンス（すなわち、整合回路１３０のインダクタンス及びキャパシタンスの組）の調整（ステップＳ１２００）、及び、電力伝送状態の判断を行い（ステップＳ３００）、調整後のインピーダンスを設定した状態で、給電共振回路１１０の駆動周波数（すなわち、電源部１２０の出力電力の周波数）の調整（ステップＳ１２００）、及び、電力伝送状態の判断を行う（ステップＳ３００）。
【００９８】
ところで、ワイヤレス電力伝送システム１では、給電共振回路１１０及び受電共振回路２１０を構成する部品の特性ばらつき、給電コイル１１１と受電コイル２１１との相対距離の変化、給電コイル１１１又は受電コイル２１１の位置ずれ、及び、給電コイル１１１と受電コイル２１１との間への異物侵入などに起因して電力伝送効率が低下している場合に、電力伝送を継続すると、ワイヤレス電力伝送システム固有の損失や不要輻射が増大し、これらの危険要因に起因して何らかの障害が発生する虞がある。
【００９９】
本実施形態のワイヤレス給電装置１００及びワイヤレス電力伝送システム１によれば、信号処理部１５０及び制御部１６０によって、電力伝送効率が第１の判断基準値よりも小さいエラー状態の場合には、電源部１２０による給電共振回路１１０への電力供給を停止するので、電力伝送効率の低下に起因する障害の発生を回避することができる。
【０１００】
また、本実施形態のワイヤレス給電装置１００及びワイヤレス電力伝送システム１によれば、制御部１６０によって、電力伝送効率が第３の判断基準値よりも小さい準正常状態の場合には、電力伝送効率が第３の判断基準値以上である正常状態の場合よりも給電電力を制限し、また、電力伝送効率が第２の判断基準値よりも小さい警告状態の場合には、準正常状態の場合よりも給電電力を更に制限するので、電力伝送効率が低下してもワイヤレス電力伝送システム固有の損失や不要輻射を抑制しつつ電力伝送を継続する（ロバスト制御性を高める）ことができる。
【０１０１】
また、本実施形態のワイヤレス給電装置１００及びワイヤレス電力伝送システム１によれば、制御部１６０によって、電力伝送状態に応じて、給電共振回路１１０の駆動周波数及びインピーダンスのうちの何れかを調整することによって、電力伝送効率の最適化を行うので、電力伝送効率の低下を抑制することができる。例えば、ワイヤレス給電装置１００の起動時、ワイヤレス受電装置２００が不適切な位置に存在する場合、又は、ワイヤレス受電装置２００の存在が確認できない場合などに、電力伝送効率が所定の判断基準内に到達するように調整することができる。
【０１０２】
また、本実施形態のワイヤレス給電装置１００及びワイヤレス電力伝送システム１によれば、電力伝送効率の最適化の際に、電力伝送状態に応じて周波数可変範囲又はインピーダンス可変範囲を変更する、具体的には、警告状態の場合にはエラー状態の場合よりも可変範囲を狭め、準正常状態の場合には警告状態よりも可変範囲を更に狭めるので、電力伝送効率の最適化のための処理時間を短縮することができる。
【０１０３】
また、本実施形態のワイヤレス給電装置１００及びワイヤレス電力伝送システム１によれば、表示部１７０によって電力伝送状態を表示するので、ユーザは、電力伝送状態を認識することができ、例えば、好ましい動作状態になるように、ワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置との位置の調整や、ワイヤレス給電装置とワイヤレス受電装置との間の異物除去等を行うことができる。
【０１０４】
なお、本発明は上記した本実施形態に限定されることなく種々の変形が可能である。本実施形態では、３つの判断基準値を用いて４つの電力伝送状態を判断したがこれに限らない。例えば、少なくとも２つ以上の判断基準値を用いて少なくとも３つの電力伝送状態を判断してもよい。
【０１０５】
また、本実施形態では、３つの判断基準値のうち、障害の発生を回避するための第１の判断基準値以外の第２及び第３の判断基準値を、ユーザによって任意に設定変更可能にしてもよい。これにより、使用状況に応じてユーザの使い勝手を向上することができ、ユーザフレンドリを実現することができる。
【０１０６】
また、本実施形態では、第１の判断基準値は、給電共振回路１１０に供給する交流電力の大きさに応じて変更されてもよい。例えば、低電力伝送動作時には、障害の発生を回避するための第１の判断基準値も小さく設定可能である。低電力伝送動作時に第１の判断基準値を小さく設定すると、伝送距離を伸ばすことができ、また、コイル同士の対向角度の自由度を上げることができる。
【０１０７】
また、本実施形態では、電力伝送状態がエラー状態である場合に、電力供給を停止したがこれに限らない。例えば、電力供給を間欠動作させてもよい。
【０１０８】
また、本実施形態では、電力伝送効率として電力比率を算出したがこれに限らない。例えば、電力伝送効率として電流比率を算出してもよい。
【０１０９】
また、本実施形態では、電力検出部１４２は、給電共振回路１１０に設けられていたがこれに限らない。例えば、電源部１２０と整合回路１３０との間に設けられていてもよい。
【０１１０】
また、本実施形態では、整合回路１３０は、給電側共振回路１１０に設けられていたがこれに限らない。例えば、周波数調整処理のみを行う場合には整合回路を設けなくてもよい。
【０１１１】
また、本実施形態では、ワイヤレス給電装置１００における給電共振回路１１０は、エキサイトコイル１１３を介して、給電コイル１１１と給電コンデンサ１１２との共振回路に交流電流を供給したがこれに限らない。例えば、図１４に示すように、給電共振回路１１０は、エキサイトコイルを介さずに、給電コイル１１１と給電コンデンサ１１２との共振回路に直接交流電流を供給してもよい。
【０１１２】
更に、例えば図１５に示すように、本実施形態では、ワイヤレス給電装置１００における給電コイル１１１は、実質的に共振回路を構成せず、給電コイル１１１と受電コイル２１１との磁場共振現象に基づき、給電コイル１１１から受電コイル２１１に電力供給を行ってもよい。ここで、「実質的に共振回路を構成しない」とは、受電共振回路２１０の共振周波数を共振周波数とする共振回路を形成しないことを意味するものであり、給電コイル１１１が何らかの回路要素と偶発的に共振することまでも排除する意味ではない。例えば、「実質的に共振回路を構成しない」とは、受電共振回路２１０の共振周波数を共振周波数とする共振回路を形成するために、給電コイル１１１に対して直列又は並列にコンデンサを設けることを行わないことを意味するものである。
【０１１３】
このワイヤレス給電装置１００では、給電コイル１１１と受電コイル２１１との磁場結合が強くなればなるほど受電共振回路２１０の共振周波数に影響が及ぶ。すなわち、給電コイル１１１と受電コイル２１１とを十分に磁場結合できる程度に近づけた状態での受電共振回路２１０の共振周波数は、給電コイル１１１と受電コイル２１１との磁場結合を無視できるほど両者が充分に離れた状態における受電共振回路２１０単独での共振周波数に対してずれていく。受電共振回路２１０の共振周波数近傍の周波数の交流電流を給電コイル１１１に供給することにより、磁場共振型のワイヤレス給電が実現可能となる。
【０１１４】
また、本実施形態では、少なくともワイヤレス受電装置が受電コイル２１１と受電コンデンサ２１２とからなる受電共振回路２１０を有し、給電コイル１１１と受電コイル２１１との磁場共振現象に基づき、給電コイル１１１から受電コイル２１１に電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムを例示したが、本発明の特徴は、ワイヤレス給電装置及びワイヤレス受電装置が共振回路を備えず、給電コイル１１１と受電コイル２１１との電磁誘導作用に基づき、給電コイル１１１から受電コイル２１１に電力伝送を行うワイヤレス電力伝送システムにも適用可能である。この場合、受電共振回路２１０の共振電流の周波数に代えて受電コイル２１１に流れる電流の周波数に、給電コイル１１１の交流電流の周波数を一致させればよい。
【０１１５】
また、本実施形態では、報知部として表示部１７０を例示したが、報知部としてはスピーカといった警報部が用いられてもよい。この場合、電力伝送状態を警報の種類や大きさで報知することが可能である。
【０１１６】
また、本発明の特徴は、電力伝送のみならず、信号伝送においても適用可能である。例えば、磁場共振現象を利用して、アナログ信号やデジタル信号を非接触で伝送する場合にも、本発明のワイヤレス電力伝送システムを適用可能である。
【０１１７】
なお、本発明は、ＴＶなどの高負荷（ハイパワー）に非接触で給電を行う非接触給電や、充電池の充放電を非接触で行う非接触充放電の分野に適用可能である。
【０１１８】
なお、本明細書では、磁場共振現象のための素子を「コイル」と称したが、関連の技術分野によっては、「トランスミッタ」や「アンテナ」等と称することもある。
【０１１９】
以上、好適な実施の形態において本発明の原理を図示し説明してきたが、本発明は、そのような原理から逸脱することなく配置及び詳細において変更され得ることができることは、当業者によって認識される。本発明は実施の形態に開示された特定の構成に限定されるものではない。したがって、特許請求の範囲及びその精神の範囲から来るすべての修正及び変更に権利を請求する。
【符号の説明】
【０１２０】
１…ワイヤレス電力伝送システム、１００…ワイヤレス給電装置、１１０…給電共振回路、１１１…給電コイル、１１２…給電コンデンサ、１１３…エキサイトコイル、１２０…電源部、１２２…平滑部、１３０…整合回路、１４０，１４２…電力検出部、１５０…信号処理部（制御部）、１６０…制御部（制御部）、１７０…表示部（報知部）、１８０…記憶部、１９０…通信部、２００…ワイヤレス受電装置、２１０…受電共振回路、２１１…受電コイル、２１２…受電コンデンサ、２１３…ロードコイル、２２０…整流部、２２２…平滑部、２３０…電力検出部、２４０…信号処理部、２５０…表示部、２６０…記憶部、２７０…通信部、３００…負荷、Ｃ１，Ｃ２…キャパシタ、Ｌ…インダクタ、ＳＷ１，ＳＷ２…スイッチ。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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